Caractérisation électrique et électro-optique de transistor à base de nanotube de carbone en vue de leur modélisation compacte

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Sous la direction de Cristell Maneux, Vincent Pouget
Thèse soutenue le 29 avril 2011: Bordeaux 1
Afin de permettre de développer un modèle de mémoire non-volatile basée sur le transistor à nanotube de carbone à commande optique qui est utilisée dans des circuits électroniques neuromorphiques, il est nécessaire de comprendre les physiques électroniques et optoélectroniques des nanotubes de carbone, en particulier l’origine de l'effet mémoire que présente ces transistors. C’est dans ce contexte général que cette thèse s'intègre. Le travail est mené sur trois plans :• Caractériser électriquement et optoélectroniquement des structures de test des CNTFETs et des OG-CNTFETs.• Développer un modèle compact pour les contacts Schottky dans les transistors à nanotube de carbone de la façon auto-cohérente basé sur le diamètre et la nature du métal d’électrode en utilisant la méthode de la barrière effective avec les paramètres nécessaires calibrés.• Modéliser l'OG-CNTFET selon les régimes de fonctionnement, lecture, écriture, effacement ou programmation pour application à une mémoire non-volatile en intégrant le mécanisme de piégeage et dépiégeage à l’interface polymère/oxyde.
-Modélisation compact
-Transistor à nanotube de carbone
-Barrière Schottky
-Mémoire non-volatile
-Piégeage
-Dépiégeage
-Optoelectronique
This PhD thesis presents a computationally efficient physics-based compact model for optically-gated carbon nanotube field effect transistors (OG-CNTFETs), especially in the non-volatile memory application. This model includes memory operations such as “read”, “write”, “erase” or “program”, and “reset” which are modeled using trapping and detrapping mechanisms at the polymer/oxide interface. The relaxation of the memory state is taken into account. Furthermore, the self-consistent modeling of Schottky barriers at contacts between the carbon nanotube channel and metal electrodes is integrated in this model applying the effective Schottky barrier method. The Schottky contact model can be included in CNTFET based devices for a typical biasing range of carbon nanotube transistors. This compact model is validated by the good agreement between simulation results and experimental data (I-V characteristics). In the non-volatile memory application, this model can fully reproduce device behaviors in transient simulations. A prediction study of the key technological parameter, the CNT diameter variety is established to expect its impact on the transistor performance, and more importantly, on the memory operation. In the other hand, this thesis presents a preliminary electric characterization (I-V) of CNTFETs and OG-CNTFETs for the device modeling database. A preliminary optoelectronic characterization method is proposed.
-Device modeling
-Spice simulation
-Cntfet
-Non-volatile memory
-Optoelectronics
-Compact modeling
-Schottky barrier
-Trapping
-Detrapping
Source: http://www.theses.fr/2011BOR14254/document
Publié le : samedi 29 octobre 2011
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Numéro d’ordre : 4254
THESE
présentée à

L’UNIVERSITE BORDEAUX I

ECOLE DOCTORALE DE SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGENIEUR

par Si-Yu LIAO

POUR OBTENIR LE GRADE DE

DOCTEUR

SPECIALITE : ELECTRONIQUE

*********************

CARACTERISATION ELECTRIQUE ET ELECTRO-OPTIQUE
DE TRANSISTOR A BASE DE NANOTUBE DE CARBONE EN
VUE DE LEUR MODELISATION COMPACTE

*********************

Soutenue le 29 avril 2011
Après avis de :
Mme. Lorena ANGHEL Professeur, TIMA de Grenoble Rapporteur
M. Ian O’CONNOR Professeur, INL de Lyon Rapporteur


Devant la commission d’examen formée de :
Mme. Lorena ANGHEL Professeur, TIMA de Grenoble Rapporteur
M. Vincent DERYCKE Chercheur, CEA, Saclay Examinateur
M. Sébastien FREGONESE Chargé de recherche, Université Bordeaux 1 Exur
M. Jacques-Olivier KLEIN Professeur, Université Paris-Sud 11 President
Mme. Cristell MANEUX Maî tre de conférences, Université Bordeaux 1 Directrice de thèse
M. Ian O’CONNOR Professeur, INL de Lyon Rapporteur
M. Vincent POUGET Chargé de recherche, Université Bordeaux 1 Co-directeur de thèse
M. Thomas ZIMMER Professeur, Université Bordeaux 1 Examinateur


























謹 以此篇 獻給

我 敬愛的 長眠的父 親

我 親愛的 母親
我 可愛的 孩子

我 摯愛一 生的妻子




To my eversleeping father,

To my dear mother,
To my first born son,

To my lovely wife, the soul mate of my whole life.


Remerciments
Je travaille dans le laboratoire de l’Intégration du Matériau au Système (IMS) UMR 5218 de
l’Université Bordeaux 1 pendant quatre ans, depuis mon stage de Master. Je remercie donc
Professeur Pascal Fouillat, Directeur du laboratoire et Professeur Claude Pellet, Directeur du
département COFI, de m’y avoir accueil li.

Je remercie é galement le projet Agence National de la Recherche PANINI pour garantir le
financement pendant les trois anné es dans le cadre de ma thè se.

Je remercie trè s sincè rement le Professeur Jacques-Olivier Klein (Institut d’Electronique
Fondamentale, Université de Paris Sud) pour m’avoir fait l’honneur de présider mon jury de
thèse. J’exprime toute ma gratitude au Professeur Lorena Anghel (Laboratoire TIMA,
Grenoble) et au Professeur Ian O’Connor (Institut des Nanotechnologies de Lyon, Ecole
Centrale de Lyon), rapporteurs de cette thè se, pour toute la qualité de relecture qu’ils ont porté
à mon manuscrit. Je remercie é galement Dr. Vincent Derycke, chercheur au CEA-LEM à
Saclay, pour avoir accepté de participer à ce jury.

Je reconnais spé cialement à Cristell Maneux, Maître de confé rences HDR, ma directrice de
thèse. D’abord je tiens à la remercier pour ma gruide sur le chemin scientifique et pour
m’apprendre une façon de présenter mes travaux pédagogiquement et précisémeMnt. erci
également pour l’autonomie qu’elle m’a laissé concernant la recherche et le développement
de mes travaux. Merci aussi pour le soutien inconditionnel tant sur le plan scientifique que la
vie quotidienne. Mais je voudrais surtout saluer sa personnalité et ses qualité s humaines,
notamment sa franchise, sa droiture et son ouverture d’esprit. Qu’il sache combien j’ai
appré cié travailler à ses cô té s pendant ces quatre anné es.

Je tiens à remercier mon co-directeur, Vincent Pouget, Chargé de recherche pour m’a laissé
dé couvrir le domaine du test laser et pour m’a guidé jusqu’au but de travMerail. ci é galement
à Professeur Thomas Zimmer, le responsable du groupe de recherche, à Sé bastien Fré gonè se,
Charge de recherche et à Franç ois Marc, Maî tre de confé rences HDR pour leurs conseils
pré cieux au long de ces anné es sur mes travaux de recherche.

Je n’oublierai en aucun cas de remercier le s docteurs de l’équipe « Modé lisation et
Caracté risation » , Dr. Johnny Goguet et Dr. Matassar Najari qui me accueillent dans une
ambiance amicale et chaleureuse, sans oublier l’ensemble des doctorants, anciens et plus
ré cents, notamment Dr. Brice Grandchamp, Dr. Mahmoud Al-Sa’Di, Gilles Amadou Koné ,
Jad Bazzi, et nos amis indiens, Arkaprava Battacharyya, Sudip Ghosh et Amit Kumar Sahoo
qui me laissent des souvenirs agré ables et humoristiques. Je n’oublierai non plus Chrystel
Plumejeau et tous les membres de l’équipe Laser. J’associe à ce travail et je remercie les
ingé nieurs et techniciens Cyril Hainaut et Sé bastien Jonathas pour toute leur pré paration de
bancs de test et leur disponibilité .

Un grand merci aux partenaires dans le projet PANINI, notamment Dr. Vincent Derycke et
autres chercheurs du CEA-LEM, Professeur Jacques-Olivier Klein, Jean-Marie Retrouvey, Dr.
Wei-Sheng Zhao et Maî tre de confé rences Guillaume Agnus de l’IEF pour leur suggestions et
discussions pré cieuses dans l’amé lioration de mes travaux de recherche.

Merci à tout le personnel administratif et plus particuliè rement à Simone Dang Van pour sa
gentillesse légendaire et un accueil comme d’un membre de fami. Merlle ci aux mes copains
chinois, Dr. Wei Feng, Kai Shao et Lu-Di Zhang pour leur soutien moral. Nous sommes très
minoritaires dans laboratoire, mais nous ne sommes pas seuls.

Un merci spé cial à la gestion des ressources humaines, Isabelle Grignon-Zolghadri pour ses
pré parations de contrats de travail et de bourse, mais surtout pour ses pré parations de lettre de
dé mission et sans aucun avertissement sur les pertes de droits de chô mage due à la dé mission.
Cela m’offre des expériences très important et me rend dans des situations financières très
difficiles vers la fin de ma thè se.

Ce manuscrit n’aurait jamais pu ê tre fluide et facile à lire sans les corrections de ma directrice
de thè se, Cristell Maneux, mais aussi la relecture de Vincent Pouget et de Sé bastien
Fré gonè se.

Je n’oublierai jamais le soutien moral de mes chers amis en Chine et en France, Jie Zeng, Na
Liu, Yan Qiu et Yang Liu.

Un infini merci à mes parents. Cette thè se est accompagné e avec leur espé rance et leur
support moral et aussi financier. Je suis trè s heureux et trè s fier d’ê tre leur fils. Papa, maman,
merci pour tout…

Comment exprimer ma reconnaissance à Mengmeng, mon adorable femme. Au long de mes
é tudes universitaires, elle m’encourage et me dé stresse, elle partage mes joies, elle me rend la
paix au bout de mon cœur et elle est m â meon sœur de la vie.

Cette thèse m’a apporté bien plus que e glrade de Docteur, le mariage et la naissance de mon
premiè re enfant, je vous aime en faisant tout mon possible.

TABLE DES MATIÈRES
Table des matières
Liste des abré viations .............................................................................................................. 11
Introduction gé né rale 13

Chapitre 1. État de l’art des composants électroniques basés sur les nanotubes de
carbone ............................................................................................................................ 17
1.1 Proprié té s physiques du nanotube de carbone .......................... 19
1.1.1 Structure atomique ............................. 19
1.1.2 Proprié té s é lectroniques ..................................................................................... 20
1.1.3 Proprié té s optoé lectroniques .............. 23
1.1.3.1 Électroluminescence ................... 23
1.1.3.2 Photoconductivité ....................................................................................... 25
1.1.3.3 Photoluminescence ..................... 25
1.2 Synthè se et pré paration pour les applications é lectroniques .................................... 27
1.2.1 Mé thodes de synthè se ......................................................................................... 27
1.2.1.1 Arc é lectrique .............................. 27
1.2.1.2 Ablation laser 27
1.2.1.3 Dé pô t chimique en phase vapeur ................................................................ 27
1.2.1.4 Croissance catalytique en phase gazeuse HiPco® ...... 28
1.2.2 Purification, sé paration, dispersion du diamè tre ................................................ 28
1.2.2.1 Purification des SWNTs ............................................. 28
1.2.2.2 Sé paration des SWNTs ............... 29
1.2.2.3 État de l’art de la dispersion du diamètre de SW ................................NT ... 31
1.3 Les composants é lectroniques à base de nanotube de carbone 32
1.3.1 Transistor à effet de champ conventionnel (CNTFET) ...... 34
1.3.2 Transistor à effet de champ double grilles (DG-CNTFET) ............................... 36
1.3.3 Transistor à effet de champ à barriè re Schottky (SB-CNTFET) ........................ 38
1.3.4 Transistor à effet de champ commandé optiquement (OG-CNTFET) ............... 39
1.4 Conclusion du chapitre .............................................................................................. 40

Chapitre 2. Caracté risations é lectriques et optoé lectroniques des é chantillons de
CNTFET et OG-CNTFET ..................................................................................................... 41
2.1 Description des vé hicules de test des CNTFETs et des OG-CNTFETs ..................... 43
2.2 Caracté risation é lectrique des CNTFETs et OG-CNTFETs ..... 47
2.2.1 Description du banc de caracté risation é lectrique .............................................. 47
2.2.2 Mé thodologie de la caracté risation é lectrique .................... 49
2.2.3 Ré sultats de la caracté risation é lectrique............................................................ 53
Page | 7 TABLE DES MATIÈRES
2.2.4 Analyse de la caracté risation é lectrique ............................................................. 56
2.2.4.1 Analyse des ré sultats de mesure ................................. 56
2.2.4.2 Conclusion des mesures .............................................. 56
2.3 Caracté risation optoé lectronique ................................ 57
2.3.1 Description du banc de la caracté risation optoé lectronique ............................... 57
2.3.2 Mé thodologie de la mesure optoé lectronique .................... 59
2.3.3 Les ré sultats de test optoé lectronique ................................................................. 62
2.3.4 Analyse des ré sultats de mesures ....... 64
2.4 Conclusion du chapitre .............................................................. 65

Chapitre 3. Implé mentation et calibration des contacts Schottky de source et drain
dans le modè le de CNTFET conventionnel .......................................................................... 67
3.1 Méthode d’implémentation de la barrière Schottky dans le modèle compact de
CNTFET ............................................................................................... 69
3.1.1 Calcul de la barriè re Schottky effective ............................................................. 69
3.1.2 Modé lisation du courant de drain en fonction de la barriè re Schottky effective 72
3.2 Mé thode de calibration des paramè tres de la barriè re Schottky implé menté e dans le
modè le .................................................................................................................................. 73
3.2.1 Calibration de la longueur caractéristique de la barrière Schottky, λ ....... 73 Schottky
3.2.2 Calibration de “la distance tunnel” ..... 74
3.2.2.1 Calcul du coefficient de transmission par l’approximation WKB .............. 75
3.2.2.2 Comparaison entre l’approximation WKB et l’approche SB effecti ......ve 77
3.2.2.3 Calcul du courant de drain paramé tré par la hauteur de la barriè re Schottky
et calibration de dtunnel ............................................................................................... 80
3.2.2.4 Adaptation de la mé thode SB effective dans toute la gamme de polarisation
du CNTFET .................................................................................................................. 84
3.3 Étude de l’impact de la dispersion technologique sur les caractéristiques électriques
du CNTFET avec contacts Schottky ..................... 87
3.3.1 Comparaisons des mesures expé rimentales et des ré sultats de simulation pour
diffé rents diamè tres de CNTFETs .................................................................................... 87
3.3.1.1 Comparaison associé e à un canal de petit diamè tre (travaux de Stanford) . 87
3.3.1.2 Comparaison sur un CNTFET avec le canal nanotube moyen diamè tre .... 89
3.3.2 Etude de l’impact du diamètre du nanotube sur les caractéristiques électriques
du CNTFET ...................................................................................................................... 90
3.4 Conclusion du chapitre .............................. 92

Chapitre 4. Modélisation analytique de l’OG-CNTFET et application à une mé moire
non-volatile ............................................................................................................................ 95
4.1 Description gé né rale de l’OG-CNTFET ................................... 97
Page | 8 TABLE DES MATIÈRES
4.2 Analyse et modélisation du fonctionnement “modulation de canal par l’illumination”
avec l’effet mémoire non-volatile ......................................................................................... 97
4.2.1 Analyse de la modulation optique ...................................... 97
4.2.2 Modé lisation de la modulation optique .............................. 98
4.2.2.1 Modélisation de l’absorption optique de P3OT .......... 98
4.2.2.2 Modélisation des pièges d’électron à l’interface P3OT/SiO ..................... 99 2
4.2.2.3 Modé lisation de la source de courant dé pendante de la puissance optique
101
4.2.2.4 Modélisation de la “commande optique” avec l’effet mémoire non-volatile .
................................................................................................................... 102
4.3 Analyse et modélisation des fonctionnements “programmation par l’impulsion de
V ” et “autorisation de la programmation par la polarisation de grille” ...................... 104 DS
4.3.1 Analyse de l’effet de dépiégeage par la gr il................................le .................. 104
4.3.2 Analyse de l’effet de dépiégeage par V ........................ 105 DS
4.3.3 Analyse de l’effet de la protection du dépiégeage par la g rille 106
4.3.3.1 Nouvelle architecture de la configuration de l’OG-CNTFET .................. 106
4.3.3.2 L’effet de la protection du dépiégeage par la grille .................................. 107
4.3.4 Modé lisation des fonctionnements : “programmation en V ” et “autorisation de DS
la programmation en grille” ........................................................................................... 107
4.3.4.1 Modélisation de la “programmation en V” par la résistance variable DS
contrô lé e en V ......................................................................................................... 108 DS
4.3.4.2 Modé lisation de la “programmation en V”, “autorisation de la DS
programmation en grille” et déchargement par la grille ............. 109
4.4 Analyse et modélisation de “la relaxation de pièges dans le fonctionnement de la
mé moire non-volatile” ....................................................................................................... 110
4.4.1 Description de la conductance du P3OT .......................... 110
4.4.2 Modé lisation de la mobilité de P3OT et la conductance associé e en ré gime non-
volatile ................................................................................................ 111
4.4.2.1 Modè les analytiques disponibles pour dé crire la mobilité é lectronique ... 111
4.4.2.2 Simplification du modè le Poole-Frenkel .................. 112
4.4.3 Modé lisation du courant de relaxation ............................................................. 113
4.5 Implémentation d’OG-CNTFET dans le modè le compact du CNTFET conventionnel
................................................................................................. 114
4.6 Étude de l’impact de la dispersion technologique sur la mémoire non-volatile ..... 115
4.6.1 Comparaison des ré sultats du modè le avec des caracté ristiques é lectriques
mesuré es ......................................................................................................................... 115
4.6.1.1 Comparaison avec les mesures statiques .................. 115
4.6.1.2 Comparac les mesures dynamiques ............................................. 118
4.6.2 Adaptation du modèle selon la géométrie de l’OG-CNTFET .......................... 120
4.6.3 Étude de l’impact de la dispersion technologique sur mémoire non-volatile .. 123
Page | 9 TABLE DES MATIÈRES
4.7 Conclusion du chapitre ............................................................................................ 126

Conclusion gé né rale et perspectives ..................... 129
Bibliographies ........................................................................................................................ 133
Produits scientifiques ............ 143




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